火灾时期矿山通风巷道“特征环”与“关键环”的分布特征研究*

丁 翠

(中国劳动关系学院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

目前，我国矿山井下火灾仍然时有发生。矿井火灾发生时，巷道内的风流由于受到加热而发生状态变化，火焰面的存在减小了巷道的有效通流面积，产生明显的节流效应，使巷道内的风流状况发生改变；同时，由于矿井火灾会产生大量烟气，进一步改变了巷道内的风流分布，此时矿井部分巷道内的通风风量会产生较大变化，研究火灾对巷道内风流分布“特征环”和平均风速分布“关键环”的分布规律，对于准确评估火灾时期通风巷道内的通风量十分重要。

目前，对于矿井火灾的研究已经取得较多成果，但是主要集中在火灾模型及烟气运移规律等方面[1-6]，并且关于井下火灾影响的研究更多是集中在对燃烧区热阻力的分析上[7-8]，也有一部分研究集中在火灾发生的机理及其防治方面[9-11]，而对于火灾所引起的巷道内风流分布的变化及紊流充分发展处的“特征环”和“关键环”分布规律却少见文献报道。本文采用数值模拟手段，研究水平巷道内通风风速以及火灾强度对巷道内风流分布“特征环”和“关键环”分布规律的影响，并得出正常通风时期风流分布“关键环”特征方程在巷道火灾时期的使用条件。

1 火灾巷道物理数学模型及假设

1.1 火灾巷道物理数学模型

按照井下实际巷道尺寸，建立三心拱巷道三维物理模型，如图1所示。巷道长度为100 m，三心拱截面尺寸为：墙高2 m，宽4.6 m，拱高1.5 m。火灾假设发生在巷道的进风流处，即火源中心与巷道进风口的距离为30 m，并且设定火区长度为2 m，根据巷道顶板的限制以及文献[12]所提供的公式进行计算，认为火焰的高度为3.5 m，并布满整个三心拱巷道截面。

图1 巷道模型Fig.1 The model of tunnel

采用标准k-ε方程以及气体的输运方程，计算巷道内风流的湍流流动和扩散。水平巷道内，火灾过程连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程、k方程、ε方程如下：

1.2 边界条件及假设

巷道入口采用速度进口边界条件，巷道出口采用压力出口边界条件。CFD火灾模拟计算过程中，采取了如下假设：巷道壁面与风流气体没有热交换；巷道内无工作人员、运输车辆和其他相关设备等障碍物，忽略煤尘、瓦斯和炮烟对风流运移的影响；火灾模型不考虑火灾的燃烧过程、火源的热辐射以及由火灾所引发的巷道内气体组分和质量的变化，把火源简化为固定释放热量的热源[13]。

同时，在火灾期间，由于火源的加热作用使巷道内的温度升高，导致巷道内气体的密度发生改变，加之重力的作用，从而使巷道内的气体产生上下自然对流。因此，在火灾模拟计算过程中，考虑了火灾所产生的浮力效应以及重力对风流流动的影响。

1.3 参数设置

巷道入口风速分别设置为：1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s；火灾强度分别设置为：0，300，600，900，1 200 kW。由此分别模拟分析不同通风风速和火灾强度对通风巷道内“特征环”及“关键环”的影响规律。

2 火灾强度对“特征环”分布规律影响

根据文献[14]可知，“特征环”是指巷道紊流充分发展处截面上，表征风速分布的等值线环。任意形状巷道内的横截面上都有其特有的“特征环”。“特征环”对于研究井下巷道截面上的速度分布具有非常重要的意义，图2给出了火灾强度分别为0，300，1 200 kW以及通风风速分别为1.0，1.5，2.0，3.0，6.0 m/s工况下，紊流充分发展截面处(X=88 m截面处)“特征环”的分布情况。

图2 不同通风风速和不同火灾功率下X=88 m截面上“特征环”分布Fig.2 Velocity distribution on cross section under different velocity and different fire intensity in tunnel

由图2分析可知，在正常通风时期，即火灾强度为0 kW时，不同通风速度下，三心拱巷道紊流充分发展截面上“特征环”的分布均可描述为：截面中心速度最大，随着距巷道边帮距离逐渐减小，巷道内风速随之减小。不同通风风速下，巷道内风速值的分布均是以截面中心为环心，逐渐向边壁扩散的椭圆环，由此可以得出：正常通风时期，通风风速对“特征环”的环状曲线影响较小，通风风速不是影响“特征环”分布的关键因素。

巷道发生火灾时，同一火灾强度下，随着通风风速的增加，巷道紊流充分发展截面处风速分布，先呈现出紊乱，再逐渐呈现出环状分布的特征。当火灾强度为300 kW时，巷道内横截面上风速分布具备“特征环”分布特征的临界风速为1.5 m/s；当火灾强度为1 200 kW时，巷道内横截面上风速分布具备“特征环”分布特征的临界风速为2 m/s。由此进一步分析可得：同一火灾强度下，巷道内横截面上风速“特征环”分布特征存在临界风速值。当通风风速低于临界风速值时，火灾下通风巷道内风速不再具备“特征环”分布特征；当通风风速大于临界风速值时，火灾下通风巷道内风速具备“特征环”分布特征，且随着通风风速的增大，其分布特征逐渐接近正常通风时期的分布规律。出现这种现象的原因主要是：火灾时期，当通风风速较低时，火灾所产生的火风压和“烟流滚退”对火灾下风流的通风状态影响相对较强，风流分布紊乱；而当通风风速大于一定值时，一方面巷道通风压力增大并大于火灾产生的火风压，另一方面“烟流滚退”距离缩小甚至消失，使火灾下风流的分布状态受影响较小，故逐渐呈现与正常通风时期相同的风速分布规律。

同一通风风速下，随着功率的增加，“特征环”的分布曲线越容易出现紊乱现象。当通风风速低于1 m/s时，火灾下通风巷道内横截面上风速分布具备“特征环”分布特征的临界火灾强度低于300 kW；当通风风速大于2 m/s时，火灾下通风巷道内横截面上风速分布具备“特征环”分布特征的临界火灾强度大于1 200 kW。由此进一步分析可得：矿井火灾时期，同一通风风速下，通风巷道内风速“特征环”分布特征存在临界火灾强度值。当火灾强度大于临界火灾强度值时，通风巷道内风速不再具备“特征环”分布特征；当火灾强度小于临界火灾强度值时，火灾下通风巷道内风速具备“特征环”分布特征，且随着通风风速的增大，其分布特征逐渐接近正常通风时期的分布规律。

图3 不同通风风速及火灾强度下X=88 m截面上“关键环”分布Fig.3 “Key ring” maps on cross section at different fire intensity and different velocity

由上述分析可知，矿井火灾时期，通风风速与火灾强度均是影响通风巷道内横截面上风速 “特征环”分布的关键因素。

3 火灾强度对巷道截面“关键环”分布规律影响

基于上文分析，火灾情况下，巷道内紊流充分发展处截面上的“特征环”分布，由于火灾强度的变化和通风风速的不同，均受到了不同程度的影响，其“关键环”的分布也会产生相应的变化。“关键环”的定义为：在“特征环”上，与截面上平均风速值相等的环称为“关键环”[14]。“关键环”对于实现风量的准确测量具有非常重要的意义。图3给出了通风风速分别为1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s以及火灾强度分别为0，300，600，900，1 200 kW工况下，X=88 m截面处“关键环”的分布情况。

由图3分析可知：火灾时期，当通风风速低于1 m/s时，由于横截面上风速分布不再具备“特征环”分布特征，故平均风速分布紊乱，未呈现出环状分布；当通风风速大于1.5 m/s时，火灾时期通风巷道内横截面上平均风速分布具备“关键环”分布特征，且巷道底板与两帮平均风速“关键环”与正常通风时期“关键环”分布特征一致，而巷道顶板平均风速“关键环”与正常通风时期“关键环”分布特征区别较大；当通风风速大于5 m/s时，火灾时期通风巷道内平均风速“关键环”分布与正常通风时期的趋近一致。出现以上现象的原因主要是：当通风风速较小时，由于火灾的浮力效应，高温烟气主要聚集在巷道顶部流动，因此巷道顶板平均风速“关键环”分布特征较不明显；当通风风速较大时，通风压力较大，并可克服火灾所产生的浮力效应，巷道内平均风速“关键环”与正常通风时期的趋近一致。

基于上述分析可知，为适应正常通风和火灾时期巷道内通风风速的准确测量，对于井下通风风速较大的巷道，在不影响运输和人员通行的前提下，可将传感器布置在巷道顶板和两帮附近；对于井下通风风速较小的巷道，可将传感器布置在巷道两帮附近。同时进一步分析可知，当巷道内通风风速大于或等于5 m/s时，通风巷道内平均风速“关键环”分布规律可认为依然符合正常通风时期的分布特性，即满足“关键环”分布的特征方程[15]。

4 结论

1)同一火灾强度下，通风巷道内风速“特征环”分布特征存在临界风速值。当通风风速低于临界风速值时，火灾时期通风巷道内风速不再具备“特征环”分布特征。同一通风风速下，火灾时期通风巷道内风速“特征环”分布特征存在临界火灾强度值。

2)正常通风时期，通风风速并非是影响巷道通风风速“特征环”分布的关键因素；矿井火灾时期，通风风速与火灾强度均是影响通风巷道内风速“特征环”分布的关键因素。

3)对于井下通风风速较大的巷道，在不影响运输和人员通行的前提下，可将传感器布置在巷道顶板和两帮附近；对于井下通风风速较小的巷道，可将传感器布置在巷道两帮附近。

4)当巷道内通风风速大于或等于5 m/s时，火灾时期风流平均风速点的位置，可由正常通风时期的“关键环”特征方程进行计算。

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